动力电池4类热失控原因分析

动力电池安全性问题概括起来叫“热失控”，也就是到达一定的温度之后，就不可控了，温度直线上升，然后就会燃烧爆炸。而过热、过充、内短路、碰撞等是引发动力电池热失控的几个关键因素。

(1)过热触发热失控

导致动力电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等，应该从电池设计和电池管理两个方面来解决。

从电池材料设计角度，可以开发来防止热失控的材料，阻断热失控的反应；从电池管理角度，可以预测不同的温度范围，来定义不同的安全等级，从而进行分级报警。

(2)过充电触发热失控

今年的一起纯电动大巴起火事件原因就在于“过充电触发的热失控”，具体则是电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失，导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。

针对这类过充电的原因，解决办法首先是查找充电机的故障，这可以通过充电机的完全冗余来解决；其次是看电池管理合不合理，比如说没有监控每一节电池的电压。

值得注意的是，随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，这时过充就更容易发生。这需要进行整个电池组的均衡，来保持电池组一致性。

比如采用“先并后串”这一最常见电池组组合方法的串联的电池组，在解决单体一致性问题后，最好的情况是拥有与最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后，容量回升了，同时也能防止过充。

为了实现一致性，必须有一种方法对各个单体进行容量估计。欧阳明高建议，可以根据充电曲线的相似性来进行全体电池组状态的估计。

也即是说，只要知道了其中一个单体电池的充电曲线，其他的曲线应该跟它是相似的。经过曲线变化，它们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易计算。根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法，就可以进行上文提到的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，需要进行简化。

(3)内短路触发热失控

波音787客机曾因电池爆炸起火。在查找事故原因时，发现电极和隔膜上有金属物，产生了内短路。虽然专家无法100%确认热失控是由内短路触发的，但它是最可能的原因，因为找不到其他原因，且内短路没办法“浮现”。

电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验，无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程，都在研究当中。

要解决内短路问题，首先要找到产品品质好的电池厂商，选择电池及电池单体容量；其次对内短路进行安全预测，在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。

这意味着必须要找到单体的特征参数，可以先从一致性着手。电池是不一致的，内阻也是不一致的，只要找到中间有变异的单体，就可以将其辨别出来。

具体而言，正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，方程的形式实际上是一样的，只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究，看其在内短路变化中的一些特征。

其中特征之一就是内短路单体的电势差，比较其内阻跟其他单体的差异。欧阳明高提出，研发人员要利用模型来进行单体的辨识。在测出每个单体的电压、电流后，利用这些数据再结合模型，就可以把每个单体的内阻预估出来。再把单体的参数全部预估出来后，根据参数的变化，便可以判断其一致性是否发生了显著性变化。

(4)机械触发热失控

碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式。特斯拉屡次发生起火事故就是这个原因。欧阳明高透露，清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析。如果在实验室进行碰撞的一个仿真，最接近的是针刺。

解决碰撞触发热失控的办法就是做好电池的安全保护设计。而这需要研发人员先了解热失控的发生过程。

一般而言，热失控发生之后，会往下传播。比如第一节热失控之后会有传热，开始传播，然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。针对这种传播，可以建立一个模型，包含中间温度升高率、化学能电能的产热、传热对流等。整个热电耦合的模型，可以用量热仪来做一个相关的定量分析。

有了传播模型，研发人员可以设计如何来阻断和抑制，这需要加隔热层。但是，加隔热层并不简单，一方面加厚了体积大，另一方面隔热层跟冷却又是矛盾的。这些都是需要解决的问题。

总之，在热失控扩展和抑制方面，研发人员要从安全保护设计和电池管理两个方面着手。